设施农业物联网智能环境监测技术

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[中图分类号]TP273.5[文献标识码]A[文章编号]1003-1650（2014）10-0204-02

一、项目背景

物联网是在互联网的基础上,以感知为前提,充分利用智能嵌入技术、无线数据通信技术、无线射频识别技术（RFID）、传感技术、遥感技术构建智能网络,是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界第三次信息技术大革命.物联网技术正在精准农业方面发挥出越来越大的作用,以促进现代农业的转型升级.

二、用户需求分析

1.检测作物生长环境因素：通过布放在土壤及环境中的各类传感器检测土壤及空气中的温湿度、光照度、二氧化碳的含量,24小时全天候采集数据参数并实施显示在办公室系统屏幕上,实现对大棚作物种植全过程的环境状况及土地指标进行采集监控.

2.设定作物生长环境因素范围：根据种植作物的不同,系统通过屏幕提醒的方式提醒农户、技术员及其他相关管理人员,便于指导农户科学种植.

3.实现查询大棚作物环境瞬时及历史各种物理参数：用户可随时通过系统界面查看大棚环境因素各物理参数的实时及历史参数变化曲线,可以查询到报警信息的内容、频率,方便用户对作物生长过程的历史与当前数据的实时监控,实现作物成长全过程的科学管理.

4.实现大棚内的农作物视频监控.

5.在控制办公室需要一个数据终端,对现场的监测数据及视频监控信号进行察看.

6.当大棚内的相关参数超过了设定限值,从监控中心可以对现场的各种设备进行自动控制.使植物的生长环境处于一个良好的范围之内.

三、系统架构

1.现场数据采集部分

1.1现场采集的参数

现场数据采集空气温度、空气湿度,土壤温度,土壤湿度,光照强度,二氧化碳浓度6种常用环境参数,这六种参数是对农作物生产影响最直接的参数.

1.2传感器的选择

1.2.1传感器供电

目前市场上传感器主要有锂电池现场供电、直流24V或12V供电、太阳能供电三种种方式.根据实际情况,如果采用锂电池供电,在使用一段时间后需要批量的进行电池更换,给农户造成了一定的经济负担及网络故障.太阳能供电因光照度不能保证且成本较高,在设施农业中不太适用.为此本次方案采用传感器直流供电方式.

1.2.2传感器通讯协议

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术.主要用于近距离无线连接.这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高.

1.2.3传感器的选择

考虑到农业大棚面积比较大,方案选择了性价比比较高的两种传感器.JZH-016型传感器和JZH-102型传感器和JZH-102型传感器.

1.3传感器的安装

由于大棚面积较大,需要安装两台JZH-016型传感器和一台JZH-102型传感器.安装位置如下图

1.3.1在大棚一侧储物间的控制箱内安装稳压电源给各传感器进行供电

1.3.2从各大棚的供电箱向控制箱敷设一条220VAC电缆

1.3.3在大棚主围墙一侧4米高处敷设小型PVC槽盒.从槽盒相应位置至传感器安装位置地埋敷设PVC管.

1.3.4从控制箱至各传感器敷设双绞线供电电缆

1.3.5传感器采用壁挂式安装,安装高度在1.5米,土壤湿度及温度探头安装在地下约0.1米深处,光照度探头安装在2米高处,二氧化碳传感器安装在1.8米高处.

2.数据传输部分

此部分主要负责将传感器的数据进行采集汇总并上传监控主机.

2.1数据接收

2.1.1在每个大棚控制箱内安装一个无线传感器转串口数据采集模块.它的主要作用是通过ZIGBEE协议将各传感器的无线数据进行采集汇总.并通过RS485接口将数据通过有线方式上传至监控主机.

2.1.2监控主机内安装RS485通讯接口卡,通过COM3口接收现场数据.

2.2数据传输

2.2.1从数据采集控制室的监控主机至各大棚储物间控制箱的采集模块采用地埋敷设信号采集电缆.

2.2.2在信号电缆的转弯处建小型电缆井,以便于今后的维护和电缆更换.在电缆井间敷设塑料子管以保护信号电缆.

2.2.3数据传输电缆采用屏蔽双绞线

3.现场控制部分

3.1现场需要控制的参数

3.1.1根据现场的调研,需要控制的参数有土壤的湿度、空气的温度、空气的湿度、光照度、二氧化碳含量.

3.2现场控制方法

3.2.1土壤水分控制

3.2.1.1在每个大棚的水管的总进口处,安装一个DN50控制用电磁阀.

3.2.1.2从南至北横向敷设DN50PVC管,作为灌溉水源的母管,管线采用地埋敷设.

3.2.1.3从南至北纵向均匀引出5个DN25出水口,并加装手动控制阀,用来控制出水量及灌溉区域,每个区域相对独立,不会相互影响.

3.2.1.4所有控制电缆在储物间控制箱内进行汇总后传至数据采集控制室.由控制主机进行控制.

3.2.2空气温湿度控制

3.2.2.1利用现有的大棚风机,将控制信号引至现场控制箱,由控制箱继电器来进行风机的控制.

3.2.2.2大棚现有的供暖设备如果是管道供热,在总入口处加装一电动调节阀控制开度,如果是电加热设备,将控制电缆引至控制箱内进行继电器控制.

费用清单中不包括供暖设备及材料费用.3.2.2.3控制电缆沿电缆井敷设至数据监控中心.由控制设备进行操作.

3.2.3光照度控制

当大棚内光照度不够时,现有方法是由人工控制电动机拉动大棚卷帘进行补光.如果要进行自动控制,只需要将电机供电线路中加入断电器控制就可以,但是卷帘开度不容易控制.

3.2.4二氧化碳含量控制

3.2.4.1现场农业大棚建设时,由建设方对需要进行二氧化碳控制的大棚进行相应的设施建设和管道敷设.

3.2.4.2在每个大棚二氧化碳进口总管处安装一个电磁阀,由控制箱的继电器来进行阀门的开启和关闭.费用清单中不包括二氧化碳设备及材料费用.

3.2.5现场大棚自动加药加肥系统

对农户调好的肥料或药品自动加入水管线内,对大棚内的作物进行灌溉.

4.管理平台部分

管理平台为用户提供了友好的人机界面,平台通过与其连接的数据采集接收器接收现场所有传感器数据,并将信号通过串口传输至监控主机呈现给用户.画面提供了参数显示和报警显示功能.同时对根据监测的数据对现场各调节设备进行控制.监控软件采用目前比较流行的工控软件.数据监控中心内设置两台工控机分别负责数据采集和现场控制.

4.1数据监测

4.1.1设置一台数据采集工控机进行现场数据的采集和显示.

4.1.2将各大棚的RS485数据信号电缆在数采监控中心内汇总,接入工控机的COM3口.

4.1.3用户登陆后都可通过系统对大棚内传感器检测到的实时数据进行查看,并支持分类查看和检索的功能,针对选定的节点,系统可绘制曲线,方便用户研究数据,分析趋势变化.在查看历史数据方面软件也提供了很好的筛选功能,方便用户准确的掌握传感器数值变化,并可以用绘制曲线的方式进行趋势的研究.

4.1.4报警管理模块

在报警管理模块中,用户可以单独对某个采集器或批量对同类型的采集器进行报警的设置,内容包括数值上下限、是否开启报警功能.当有传感器超过预设的限定值时,在监控界面上会以红色对该节点进行标示,同时按照预设的报警方式进行报警.软件会对所有的报警进行记录,方便用户查看.

4.2现场控制

4.2.1由工控机对现场的各参数进行控制.

4.2.2数据监控中心的控制单元采用先进的控制单元.它通过多通道的I/O模块对现场控制箱的控制设备进行控制.同时通过RS-485接口与主机进行通讯.控制单元如下图：

4.2.3控制主机对所有需要控制的数据进行上下限设定,采集上来的数据与限值进行比较.对于超过限值的参数控制主机自动通过RS485接口驱动控制单元对现场设备进行控制.

4.2.4控制主机的控制界面有手动和自动调节切换,当用户需要手动进行现场调整时,可以进行切换.

4.2.5现场控制箱

现场控制箱安装在每个大棚的储物间内,控制主机通过控制箱对大棚内的设备进行操作.

现场控制箱通过电缆与监控中心的控制单元进行连接.

控制箱内安装与控制单元相匹配的继电器,交流接触器和稳压电源等设备.

5.数据共享及远程监控

5.1在经理办公室内设置一台终端电脑,通过大屏幕对现场的监测数据和视频信号进行显示.从经理办公室至监控中心敷设一条光纤进行数据传递.

5.2在监控中心的数据采集主机上安装一台小型无线上网卡,实现计算机与互联网的连接.在外网的用户通过登陆网站实现大棚实时数据的浏览.

四、系统特点

本系统数据采集网络结构采用有线采集加无线传输的方式实现,数据参数传输到办公室系统平台综合管理.系统网络布线施工量小、维护成本低；超低功耗、绿色环保、无辐射等特性,可自动组网、网络连接可视,全天候稳定运行,无需人工干涉；所有的采集器安装简便,即插即用,可以任意改变安装位置,不受线缆的束缚；良好的网络扩展能力,同一网络中可支持几百个采集器和控制器,系统可扩展；且功能强大,系统稳定可靠.

五、效果分析

1.系统采用先进的物联网技术,网络传输采用有线采集加无线传输的方式实现,系统建设成本和维护成本较低,使改技术在农业大棚智能环境监测及精准农业管理的具有良好应用前景.

2.系统可实现对大棚作物生长环境因素的的实时监控,实现大棚种植由“经验”种植到“数据”种植的跨越式提升；打破了以往的传统种植管理模式,使人从农业生产中得到了一定的解放,极大提高作物的产量和品质,有效提高农业综合效益.

3.该系统平台的建成不仅能完成农业大棚现场数据的采集监测,还实现了作物生长环境的自动控制,对各类参量进行自动调节,从而实现对农业大棚环境参数的智能化感知、智能化控制.系统可扩容,可升级.

4.该项目符合滨海新区“数字”农业、“精准”农业产业发展的需要,可以得到相关的政策支持.该项目具有很大的社会示范效应,对提高用户知名度和农业品牌有着积极的推动作用,社会效益明显.

作者简介：甘久霖,男,天津市滨海新区大港农机技术推广站站长、高级工程师.